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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO TÉCNICO MECÁNICO.
ADAPTACIÓN DE UN BUGGY CONVENCIONAL A ELÉCTRICO PARA SU PARTICIPACIÓN EN LA PANÁFRICA 2012.
AUTOR: JAIME DE LA CRUZ RODRÍGUEZ.
DIRECTOR: JUAN DE NORVERTO MORÍÑIGO.
MADRID.
MAYO 2012.
Resumen: En el presente proyecto se realiza la adaptación de un buggy convencional a eléctrico para la participación en la “Panáfrica 2012”.
Inicialmente se describirá la “Panáfrica 2012” y sus aspectos más generales para el conocimiento del lector. De dicha carrera, se escogerá su etapa más desfavorable, para elaborar una etapa patrón para realizar una estimación energética.
Posteriormente se realizará el análisis y cálculo energético del vehículo en la etapa patrón descrita anteriormente, así se podrá ver cuáles son las necesidades energéticas totales para poder finalizarla. Esto se lleva a cabo mediante un profundo análisis de los elementos que intervienen en el consumo energético del vehículo.
A continuación, una vez vista la demanda energética del vehículo, se procederá a realizar las modificaciones pertinentes al buggy de combustión para transformarlo a un buggy eléctrico, para ser dimensionado y ser capaz de cumplir con las expectativas de la competición.
También se plantearán otras opciones de buggy eléctrico como son los híbridos, una mezcla entre eléctrico y de combustión. Opción que se podría llevar a cabo mediante los denominados extensores de autonomía.
Todo el buggy está detallado completamente, desde los materiales a usar hasta sus procesos de fabricación como soldadura, revestimiento, etc
Finalmente, una vez validado el diseño, se redacta un presupuesto para determinar la viabilidad económica del vehículo diseñado y se plasman las conclusiones sacadas de la elaboración del proyecto.
Summary: This project presents the adaptation made to a conventional electric buggy intended to participate in the “Panafrica 2012” contest. Initially, we will describe the Panafrica 2012 contest and its general aspects for the readers to understand what this project is all about. Secondly, an energetic calculation analysis will be performed about this vehicle in the contest desribed previously so we can calculate which is the total energetic requirements to finish it. This is accomplished by creating a deep analysis of the items involved in the energy consumption of the vehicle. Thirdly, after analyzing the energy demand of the vehicle, we will proceed to make the necessary adjustments so we can turn a combustion buggy to an electric one, in order to fit the contest requirements. We will also describe different options, such as hybrid buggies, which are a mix between electric and combustion buggies. This option may be possible by the denominated “extensors of autonomy”. The buggy we worked on is described on detail, including the materials from which is made of and all of their manufacture process, such as welding, coating, etc. Finally, once we validated the design, we have to draft an economic budget so we can determinate the viability of the car previously designed. To top it all we should describe the conclusions we got to thought the process of elaborating this project.
Índice resumen:
1. MEMORIA DESCRIPTIVA........................................................................................... 1
1.1. HISTORIA DE LOS BUGGIES. ............................................................................. 1
1.2. LA PANÁFRICA. ...................................................................................................... 4
1.3. ETAPA PATRÓN DE ESTIMACIÓN ENERGÉTICA............................................. 5
1.4. EL PROTOTIPO. ...................................................................................................... 17
1.5. MODIFICACIONES. ............................................................................................... 33
1.6. CONCLUSIONES. ................................................................................................... 45
1.7. ANEXOS………………………………………………………………………….. 46
1.8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………...……………… 50
2. CÁLCULOS. ................................................................................................................. 51
2.1. GENERALES. .......................................................................................................... 51
2.2. TRAMOS VELOCIDAD CONSTANTE. ................................................................ 53
2.3. TRAMOS ACELERACIÓN. .................................................................................... 57
2.4. ENERGÍA TOTAL ETAPA. .................................................................................... 61
2.5. DESARROLLO. ....................................................................................................... 65
3. PLIEGO DE CONDICIONES. ..................................................................................... 68
3.1. MATERIALES. ........................................................................................................ 68
3.2. MÉTODO DE FABRICACIÓN. ........................................................................... 75
3.3. NORMATIVA PANÁFRICA. .............................................................................. 86
4. PRESUPUESTO. .......................................................................................................... 88
5. PLANOS…………………………………………………………………………….. 90
5.1 INDICE DE PLANOS………………………………………………………….… 90
1. MEMORIA DESCRIPTIVA.
1. MEMORIA DESCRIPTIVA.
1.1. HISTORIA DE LOS BUGGIES.
Los primeros datos existentes sobre los buggies, provienen del estado de California, Estados Unidos, sobre 1950.
Inicialmente, los vehículos eran fabricados a nivel personal como hobby durante el fin de semana. Se construían en garajes particulares sobre un modelo de coche ya comercializado en el mercado. Principalmente, eran conducidos por las largas playas de la costa del Pacífico durante los fines de semana.
De ahí proviene la palabra “Beach Buggies”. Más adelante, ya en los años 60, empezó a popularizarse el buggy. Las familias preparaban los vehículos durante toda la semana en sus propios garajes de casa y cuando llegaba el fin de semana, se desplazaban a la playa a pasar el día con sus máquinas y amigos.
En la imagen se puede observar unos de los primeros buggies, fabricado a partir de un antiguo modelo de coche.
Figura 1. Buggy 1960.
A partir de 1970, se forman los primeros clubes para competir en las playas y siempre sobre superficies blandas y planas.
Figura 2. Buggy 1970.
Mientras tanto, una nueva variante se iba creando: el “Dune Buggy”. Esta modalidad, consistía en subir montañas arenosas tipo dunas. Entonces, empezaron a aparecer modelos con chasis tubulares completos, al estilo jaula, por su excelente seguridad ante vuelcos ocasionales y también equipados con ruedas traseras más grandes, obtenidas de los tractores de aquella época. De esta manera empezaron a utilizarse los chasis tubulares para vehículos todoterrenos, y éstos eran habitualmente biplaza, ya que seguían siendo utilizados en actividades familiares practicadas únicamente como hobby. Estas nuevas estructuras ofrecían una mayor rigidez, estaban formadas habitualmente por perfiles tubulares soldados entre sí que le daban la capacidad de soportar esfuerzos en cualquier dirección además de ofrecer una muy buena relación rigidez/peso.
Actualmente, este tipo de buggy es el más comercializado en todos los niveles ya que ofrece la posibilidad de circular por todo tipo de terrenos, tanto urbanos como naturales sin muchas dificultades. En la fotografía un buggy moderno de este tipo:
Figura 3. Buggy biplaza.
En 1975 aparecieron los modelos más conocidos en Europa, con motor Volkswagen Beattle y carrocería en fibra de vidrio. Estos vehículos se popularizaron, por todo el mundo como un vehículo de aventura y a la vez de uso diario.
1.2. LA PANÁFRICA. La Panáfrica es una competición tipo Dakar que se desarrolla en Marruecos y dónde pueden participar todos los vehículos todo terreno. Consiste en recorrer 2000 km divididos en 6 etapas, dónde no gana el que más rápido realiza las diferentes etapas, sino el que menos distancia recorre entre la salida y la meta dentro de unos márgenes máximos de tiempo (penalización de 1km por minuto de retraso) y un límite de velocidad máxima de 80 km/h.
Figura 4. Panáfrica 2012.
1.3. ETAPA PATRÓN DE ESTIMACIÓN ENERGÉTICA. Para la realización del buggy eléctrico, lo primero que se necesitaba saber era la demanda de energía por etapas, para el dimensionamiento de las baterías que alimentarían al buggy. Para ello escogimos la etapa más desfavorable, la primera etapa, 204 km con una altitud máxima de 1148 m.
De la etapa patrón sacaríamos los datos necesarios para el cálculo de la energía, como son:
- Las pendientes del terreno, las cuales nos afectarían a la potencia pendiente.
- El tipo de terreno, del que depende el coeficiente de rodadura y el cual afecta a la potencia de rodadura.
- La longitud de la etapa, una mayor longitud de etapa supone un mayor tiempo.
- A los demás datos como pueden ser el peso, el área frontal, la aceleración, etc no les afecta el perfil de la etapa pero si influyen en el gasto energético por lo que se han realizado varias iteraciones para finalmente escoger un tipo y número de baterías..
En la fotografía el perfil de la primera etapa:
Figura 5. Perfil etapa.
El perfil de la etapa se necesitaba para saber ciertos aspectos que iban a condicionar la energía demandada por nuestro vehículo, como pueden ser los kilómetros o las pendientes del terreno.
Para hallar las pendientes del terreno, lo que se ha hecho ha sido dividir la longitud total de la etapa en tramos de pendiente constante, para así hallar la pendiente de cada tramo.
Se dividió a la etapa en 17 tramos de pendiente constante.
Primer tramo: Distancia 8,56 km, pendiente media 3,8%
Figura 6. Perfil primer tramo.
Pendiente media 3,8 %, lo que quiere decir que en 100 metros horizontales ascendemos 3,8 metros verticales. Es decir:
Figura 7. Pendiente.
Por tanto podemos hallar el ángulo θ que necesitaremos en radianes.
𝜃 = tan−1sin𝜃cos 𝜃
= tan−13.6100
= 0.038 𝑟𝑎𝑑.
Y así con todos los demás…
Segundo tramo: Distancia 7,55 km.
Figura 8. Perfil segundo tramo.
Este tramo se considera llano, por tanto θ = 0 rad.
Tercer tramo: Distancia 8,28 km, pendiente media -2,5%
Figura 9. Perfil tercer tramo.
En este tramo, θ = -0,025 rad.
Cuarto tramo: Distancia 6,04 km.
Figura 10. Perfil cuarto tramo.
En este tramo, θ = 0 rad.
Quinto tramo: Distancia 6,26 km, pendiente media 1,4%
Figura 11. Perfil quinto tramo.
En este tramo, θ = 0.014 rad.
Sexto tramo: Distancia 18 km, pendiente media 2,1%
Figura 12. Perfil sexto tramo.
En este tramo, θ = 0.021 rad.
Séptimo tramo: Distancia 8,5 km, pendiente media 8.2%
Figura 13. Perfil séptimo tramo.
En este tramo, θ = 0.0818 rad.
Octavo tramo: Distancia 5,74 km, pendiente media -4%
Figura 14. Perfil octavo tramo.
En este tramo, θ = -0.04 rad.
Noveno tramo: Distancia 15,6 km, pendiente media -1,2%
Figura 15. Perfil noveno tramo.
En este tramo, θ = -0.012 rad.
Décimo tramo: Distancia 20,4 km, pendiente media 1,3%
Figura 16. Perfil décimo tramo.
En este tramo, θ = 0.013 rad.
Undécimo tramo: Distancia 5,02 km, pendiente media -1,3%
Figura 17. Perfil undécimo tramo.
En este tramo, θ = -0.013 rad.
Duodécimo tramo: Distancia 6 km.
Figura 18. Perfil duodécimo tramo.
En este tramo, θ = 0 rad.
Décimo tercer tramo: Distancia 27,2 km, pendiente media 2,2%
Figura 19. Perfil décimo tercer tramo.
En este tramo, θ = 0.022 rad.
Décimo cuarto tramo: Distancia 16,6 km, pendiente media -1,9%
Figura 20. Perfil décimo cuarto tramo.
En este tramo, θ = -0.019 rad.
Décimo quinto tramo: Distancia 13,5 km, pendiente media -1,2%
Figura 21. Perfil décimo quinto tramo.
En este tramo θ = -0.012 rad.
Décimo sexto tramo: Distancia 11,4 km, pendiente media 1,2%
Figura 22. Perfil décimo sexto tramo.
En este tramo, θ = 0.012 rad.
Décimo séptimo tramo: Distancia 19,4 km, pendiente media 1,2%
Figura 23. Perfil décimo séptimo tramo.
En este tramo, θ = 0.012 rad.
1.4. EL PROTOTIPO.
1.4.1. TIPOS DE BUGGIES. Para la elección del buggy lo primero que se tuvo en cuenta fue el tipo de buggy que necesitamos, para ello se va a dar una breve introducción sobre los tipos de buggies.
1.4.1.1. TIPO MONOCASCO.
Este tipo de chasis es utilizado desde hace décadas por prácticamente todos los vehículos, ya que ofrece un coste muy reducido de producción y una gran facilidad de automatización del proceso de fabricación. El monocasco, también es conocido con el nombre de carrocería autoportante ya que la chapa externa del vehículo soporta algo (semi-monocasco) o toda la carga estructural del vehículo. Actualmente se siguen fabricando buggies con carrocerías autoportantes, aunque no predominan. Su utilización suele quedar limitada únicamente a la carretera o terrenos con superficies planas.
Figura 24. Buggy tipo monocasco.
• Ventajas: - Estructura compacta y resistente a choques, debido a la incorporación de zonas deformables. - Económico para grandes cadenas de producción. - Mejor comportamiento dinámico. - Mayor habitabilidad del vehículo.
• Inconvenientes: - Bastante pesado. - Inviable para la fabricación en pequeñas cantidades.
1.4.1.2. TIPO CAR-CROSS.
El Car Cross es una de las disciplinas más espectaculares, económicas y sencillas de practicar, y a la vez, de las más competitivas para su relación precio, prestaciones, satisfacción y mantenimiento. Los Car Cross, son vehículos monoplazas, fabricados mediante estructuras tubulares y con una zona de pilotaje dotado de los comandos habituales a los de un coche. Las principales características de conducción son las grandes aceleraciones y derrapes que convierten su pilotaje en un gran espectáculo para el público y un placer para quien lo pilota. Esta especialidad del automovilismo tiene sus orígenes en Estados Unidos siendo importada por Francia en la década de los 80.
Figura 25. Buggy tipo car-cross.
• Ventajas: - Fácil pilotaje debido a sus mínimas dimensiones. - Buena relación rigidez-peso, debido a la incorporación de la estructura tubular. - Proceso de fabricación económico teniendo en cuenta las prestaciones que se obtienen. - Altas velocidades.
• Inconvenientes: - No es práctico en terrenos muy abruptos y con muchas dificultades en el terreno, debido a la poca distancia entre el vehículo y el suelo.
1.4.1.3. TIPO MONOPLAZA TODOTERRENO.
Este tipo de buggies están preparados para la competición por terrenos de montaña con muchas dificultades técnicas o son creados simplemente con el fin de disfrutar al máximo de los terrenos naturales. Éstos cuentan con una estructura tubular como chasis, ya que es el sistema más seguro de cara a la utilización que tendrán. El hecho de ser monoplaza hace que las dimensiones del vehículo sean menores, lo cual lo dota de una mayor agresividad ya que son menos pesados y una conducción más cómoda que los biplaza. Estos buggies cuentan con un equipamiento más competitivo y de mayor rendimiento, ya que quien compra o fabrica este tipo de vehículo es porque lo quiere poner a prueba en terrenos con muchas dificultades técnicas.
Figura 26. Buggy tipo monoplaza todoterreno.
• Ventajas. - Es útil en todo tipo de terrenos. - Inmejorable relación rigidez/peso. - El proceso de fabricación (estructura tubular) es económico teniendo en cuenta la calidad que se obtiene.
• Inconvenientes.
- Si se quiere diseñar un chasis competitivo se cuenta con poco espacio a la hora de ubicar los componentes mecánicos. - La producción en serie es inviable dada la dificultad del proceso de fabricación.
1.4.1.4. TIPO ANFIBIO. Estos vehículos anfibios también están considerados como un tipo de buggy. La particularidad que los distingue del resto de los mostrados anteriormente es que éstos son capaces de circular tanto por tierra como por agua. Estos buggies suelen estar fabricados de polietileno de alta densidad (HDPE) para poder flotar, llevan motores que permiten velocidades de hasta 40Km/h por tierra y 4Km/h por agua y suelen ser vehículos con tracción en todas las ruedas, los modelos disponibles habituales tienen 6 u 8 ruedas.
Figura 27. Buggy tipo anfibio.
• Ventajas. - Capacidad de ir por agua.
• Inconvenientes.
- Velocidad muy limitada. - No es práctico si no se quiere ir por agua. - No es útil en terrenos con muchas dificultades técnicas. - Fabricación personal muy complicada.
1.4.2. PROTOTIPO ELEGIDO. Para saber el tipo de buggy que debemos escoger, lo primero que debemos es analizar los requisitos que debe cumplir: - Capacidad para circular por todo tipo de terrenos. - Fácil adaptación, manipulación y mantenimiento. - Espacio libre (para la colocación de las baterías). - Buena relación rigidez-peso. - Capacidad para conseguir velocidades aceptables. Teniendo en cuenta la clasificación de buggies que se ha hecho anteriormente el tipo de vehículo que más se ajusta a nuestros requerimientos es el buggy monoplaza todoterreno, ya que cumple todos los requisitos necesarios excepto el espacio libre. Esto suponía una dificultad, pero se ha elegido un modelo en el que se tiene el espacio necesario. Además, el hecho del chasis tubular, está relacionado con que por normativa de seguridad de la RFEDA se impone la construcción de una armadura tubular de seguridad para la zona del habitáculo. Con el chasis tubular se consigue una completa integración de esta armadura gracias a la similitud entre los elementos estructurales y las uniones entre el chasis y la armadura de seguridad. El chasis elegido.
Figura 28. Chasis prototipo. Este chasis de estructura tubular es el “alma” de nuestro vehículo, del cual se presenta una imagen a continuación. El prototipo elegido…
Figura 29. Prototipo elegido.
1.4.3. CARACTERÍSTICAS GENERALES. El vehículo se trata de un Buggy todoterreno monoplaza de tracción trasera. 1.4.3.1. DIMENSIONES GENERALES. Las dimensiones generales del vehículo se presentan en la siguiente tabla. Dimensiones buggy todoterreno. Longitud total (Overall Length) – 2700 mm
Amplitud total (Overall Widht) – 1960 mm Altura total (Overall Height) – 1850 mm Altura de la estructura tubular – 1365 mm Distancia entre ejes (Wheelbase) – 2300 mm Vía anterior (Front Track) – 1460 mm Vía posterior (Rear Track) – 1670 mm 1.4.3.2. PESOS. Pesos buggy convencional Pesos buggy eléctrico Estructura tubular – 99.6 kg Estructura tubular – 99.6 kg Motor 600 cc – 62 kg Motor eléctrico – 86.2 kg Ruedas – 37 kg Ruedas – 37 kg Depósitos gasolina – 8 kg Baterías – 249 kg Partes mec. y equipamiento interior – 50 kg Partes mec. y equipamiento interior – 50 kg Chapas carrocería – 26.5 kg Chapas carrocería – 26.5 kg Aislantes y soportes – 10 kg Aislantes y soportes – 10 kg Trapecios – 25.3 kg Trapecios - 25.3 kg Suspensiones – 25.6 kg Suspensiones - 25.6 kg Peso total(sin piloto) – 344 kg Peso total(sin piloto) – 609.2 kg La tabla anterior nos muestra los pesos del vehículo parado, pero también necesitamos los pesos de vehículo en carrera. Pesos buggy convencional en carrera Pesos buggy eléctrico en carrera Peso total sin piloto – 344 kg Peso total sin piloto – 609.2 kg Peso total combustible – 14 kg - Peso piloto – 75 kg Peso piloto – 75 kg Peso total vehículo carrera – 433 kg Peso total vehículo carrera – 684.2 kg Como se puede observar en las tablas anteriores, se han sustituido del buggy convencional el motor de gasolina de 600 cc por un motor eléctrico, y los depósitos de gasolina por baterías. Estos dos cambios generan un aumento del peso del vehículo en 251 kg, un aumento considerable, teniendo en cuenta el escaso peso del vehículo original.
1.4.4. MOTOR. Inicialmente el buggy convencional lleva un motor de moto, en concreto el de la Kawasaki ZX-6R.
Es un motor que presenta grandes prestaciones y un tamaño compacto.
Figura 30. Características motor Kawasaki.
1.4.5. TRANSMISIÓN. 1.4.5.1. JUNTAS HOMOCINÉTICAS.
La transmisión de este vehículo será trasera y al llevar incorporada suspensiones independientes para cada rueda obliga a utilizar juntas homocinéticas en los ejes traseros. Este vehículo tiene por transmisión trasera el conjunto formado por una junta trípode deslizante tipo Glaenzer y una junta homocinética de bolas del tipo Rzeppa. Las juntas homocinéticas deslizantes del tipo Glaenzer que se instalan en el lado diferencial están constituidas por un trípode (1) donde se acoplan los rodillos (2) alojados en las ranuras cilíndricas del manguito (3) donde pueden deslizarse. En el interior del trípode (1) donde se acoplan los rodillos (2) alojados en las ranuras cilíndricas del manguito (3) donde pueden deslizarse. En el interior del trípode (1) se aloja el palier (6) y, en el casquillo (3), el planetario (7), resultando una junta homocinética deslizante. El casquillo (4) y el guardapolvos (5) sirven de tapa y cierre del conjunto. A continuación se muestra el despiece y el esquema interno que demuestra el movimiento interno de la junta.
Figura 31. Junta homocinética Glaenzer. Esta junta es de engrase permanente y se caracteriza por su reducido volumen. Tiene un rendimiento muy elevado y muy poca resistencia al deslizamiento, la junta trípode deslizante Glaenzer se comporta homocinéticamente bajo cualquier ángulo, con una gran capacidad para la transmisión de pares y un elevado rendimiento mecánico. Es interesante este tipo de juntas con importante juego axial para compensar los pequeños errores en la soldadura que se puedan dar al fabricar las piezas y que hagan variar la distancia entre la caja de transmisión y la rueda. En los vehículos comerciales siempre se coloca en el lado del diferencial. En nuestro vehículo la junta homocinética deslizante del tipo Glaencer irá acompañada de una junta homocinética de bolas del tipo Rzeppa, en la siguiente imagen se puede observar el conjunto.
Figura 32. Juntas homocinética Glaenzer y Rzeppa. La junta del tipo Rzeppa o más conocida por "junta homocinética de bolas" es la más utilizada hoy en día. Esta junta suele utilizarse combinada con la Glaenzer trípode deslizante. Debido a su complejidad constructiva no se ha impuesto su utilización hasta no hace muchos años. La junta Rzeppa consta de seis bolas que se alojan en una jaula especial o caja de bolas (7). A su vez, las bolas son solidarias del árbol conductor y del conducido; este acoplamiento se produce debido a que las bolas también se alojan en unas gargantas tóricas, que están espaciadas uniformemente a lo largo de dos piezas interior y exterior. La pieza exterior (3), en forma de campana, está unida al árbol conducido, en el lado rueda. La pieza interior (8) es el núcleo del eje conductor, eje que, a su vez, se une a la junta homocinética que sale de la caja de transmisión. La disposición de las bolas y las gargantas hace que sean dos bolas las que transmiten el par, mientras que las otras cuatro aseguran el plano bisector. Tras una pequeña rotación, otras dos bolas son las que pasan a transmitir el par, mientras que las dos bolas que acaban de trabajar pasan al lado bisector. Una de las ventajas de la junta Rzeppa es su larga vida, siempre y cuando no se vea afectada por la entrada de polvo cosa que la hará reducir drásticamente. Trabaja perfectamente bajo condiciones de gran angulosidad. En la siguiente imagen se muestra el despiece y la posibilidad de movimiento de la junta Rzeppa.
Figura 33. Junta homocinética Rzeppa. 1.4.5.2. EJES DE TRANSMISIÓN. El conjunto constará de tres ejes principales de transmisión, los cuales se pueden observar en la siguiente imagen.
Figura 34. Vista conjunto ejes transmisión. El eje principal que recibirá el movimiento de la cadena se unirá a la pieza que contiene el plato y el disco de freno mediante un chavetero. Los tres ejes serán de acero y tendrán un diámetro de 30 mm.
Los extremos de los ejes serán estriados con el fin de acoplar las juntas homocinéticas por apriete sin que exista ningún tipo de holgura.
1.4.6. SUSPENSIONES. Las suspensiones son las encargadas de absorber las reacciones producidas en las ruedas por las desigualdades del terreno, asegurando así la comodidad del conductor y al mismo tiempo asegurar la estabilidad del vehículo. Las suspensiones utilzadas en el vehículo son de la marca Fox, fabricadas para vehículos Off Road, en concreto, del tipo Coilover Air Shocks, modelo 980-04-074-A tanto en las ruedas delanteras como en las traseras ya que la distancia y el recorrido del eje es similar en ambos casos. Son unas suspensiones blandas, con las espirales exteriores, fáciles de adaptar en vehículos ya que se pueden regular con cierta facilidad. Características técnicas.
Figura 35. Características técnicas suspensiones. A continuación se muestra una fotografía de los amortiguadores…
Figura 36. Amortiguadores.
1.4.7. DIRECCIÓN. El vehículo va equipado con una dirección directa de cremallera, sin ningún tipo de ayuda hidráulica para así obtener el máximo tacto y sensibilidad al volante del vehículo. Debido al tipo de conducción, donde fácilmente el vehículo puede derrapar, es importante que el máximo giro se consiga con las mínimas vueltas de volante.
1.4.8. TRAPECIOS. La unión entre las ruedas y el chasis principal de la estructura se efectúa mediante unos trapecios. Cada rueda estará soportada mediante dos tipos distintos de trapecios que atienden a los requerimientos de la pieza que soporta el conjunto de la rueda, a la geometría del chasis y a funciones extras (suspensiones delanteras). A continuación se muestran los diferentes trapecios, tanto delanteros como traseros. En la imagen siguiente podemos observar el trapecio delantero…
Figura 37. Trapecio delantero.
Figura 38. Trapecio trasero.
1.4.9. RUEDAS. Las llantas y los neumáticos instalados en el vehículo serán de la marca Kenda, en concreto las específicas para Kart Cross y Quads, del modelo Bearclaw Ex Utility 4x4 con número de serie K573, que son idóneas para su utilización en terrenos naturales mixtos.
Figura 39. Características ruedas. 1.4.10. DISCOS Y PINZAS DE FRENO. Los discos de freno que instalados en las ruedas delanteras son de la marca Brembo, modelo X95.20.00, que en concreto, son utilizados en motos Ducati, estos van acompañados de unas pinzas (o también llamados calipers) también de la marca Brembo, modelo X20.60.01, que son las correspondientes a este tipo de disco de freno. Hay que destacar que estos componentes son utilizados en motos de competición para las ruedas traseras y que en nuestro caso se instalaran en las ruedas delanteras. Al tratarse de un vehículo de cuatro ruedas se instalaran dos pares de este tipo de frenos. A continuación se muestran las características técnicas del disco y pinza.
Figura 40. Disco de freno delantero.
Figura 41. Pinza de freno delantera. Para el freno trasero, se dispone también de componentes de la marca Brembo. Hay instalado un único disco de freno en la parte trasera y este será del modelo X95.50.60 al
cual le acoplaremos la pinza X97.24.01. A diferencia de los frenos delanteros, los frenos traseros instalados se usan más habitualmente en coches, a continuación se muestran las características de ambos:
Figura 42. Disco de freno trasero.
Figura 43. Pinza de freno trasera.
1.4.11. ASIENTO Y ARNESES DE SEGURIDAD. El asiento es una parte bastante importante del vehículo, destinado a ofrecer seguridad y confort al piloto que lo conducirá. Al tratarse de un vehículo todoterreno que estará sometido a una conducción agresiva en la mayoría de momentos y a terrenos que ofrecen muchas dificultades, nos hemos decantado por un asiento de la marca Sabelt, concretamente el modelo GT1. Este asiento en concreto está construido a partir de un chasis de fibra de vidrio que ofrece las prestaciones de resistencia y peso que se buscadas, además, cuenta con la homologación de la FIA- 8855/99. Dispone de soporte lumbar integrado y es posible regular la dimensión de las piernas, para una mayor comodidad del piloto. También contiene unos laterales un poco más finos que el resto de asiento, es muy utilizado en este tipode vehículos ya que hace más sencillo el posicionamiento del piloto al entrar en el buggy.
Figura 44. Asiento buggy. El modelo de asiento GT1 está concebido para la utilización de arneses de 4 y 5 puntos. Dispone de un arnés también de la marca Sabelt, modelo Westfield CFCI0033. Este arnés cuenta también con la homologación de la FIA-8853/98. Se trata de un arnés de 4 puntos con fijación por gancho y argolla atornillada de paso 7/16” y 50mm de largo y reguladores profesionales de acero contirador hacia abajo.
Figura 45. Arneses de seguridad.
Como se puede observar es un vehículo bastante apropiado para nuestro propósito. Lo elegimos por su enorme funcionalidad y a la vez su “instinto” de competición.
1.5. MODIFICACIONES. En el buggy de combustión se han realizado básicamente cuatro modificaciones, la sustitución del motor de gasolina por uno eléctrico, la sustitución de los depósitos de gasolina por baterías, la instalación de faros y la de un velocímetro.
1.5.1. MOTOR ELÉCTRICO. El motor elegido para sustituir al motor de combustión es el EMC-SM300. Es un motor diseñado para la conversión a eléctrico de camiones ligeros y coches pequeños.
Figura 46. Motor eléctrico.
Este motor da una potencia nominal de 35 CV (26 kw) pero durante dos minutos podría dar una potencia pico de 85 CV (63 kw) si se alimentase con una intensidad de 550 A. Es un motor de dimensiones parecidas a de combustión, las dimensiones de este motor son 512 mm de largo por 254 mm de diámetro. Su peso son 86.2 kilogramos. A continuación se muestra una tabla con las características del motor.
Figura 47. Características motor eléctrico. La potencia del motor la hallamos de la siguiente manera:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 Por tanto 10 baterías en serie de 12,8 V cada una, 128 V. Intensidad de las baterías, 200 A.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 200 ∗ 128 = 25.6 𝑘𝑤 Teniendo en cuenta que 1 CV = 735 W 25.6 kw = 34,83 CV ≈ 35 CV.
1.5.2. BATERÍAS. Lo primero que se decidió fue el motor, y a partir de él se buscaron las baterías sobre los tipos de baterías que existen. 1.5.2.1. Baterías de Níquel-Cadmio. Utilizan un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esta configuración de materiales permite recargar la batería una vez está agotada, para su reutilización. Sin embargo, su densidad de energía es de tan sólo 50 Wh/kg, lo que hace que tengan poca capacidad. Admiten sobrecargas, se pueden seguir cargando cuando ya no admiten más carga, aunque no la almacena. Admiten un gran rango de temperaturas de funcionamiento. Tiene un efecto memoria muy alto lo que nos perjudicaría de cara a las numerosas recargas. 1.5.2.2. Baterías de Níquel-Hidruro metálico. Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria. No admiten bien el frío extremo, reduciendo drásticamente la potencia eficaz que puede entregar. Poseen un poco mas de densidad de energía (80 Wh/kg) que las anteriores pero sigue siendo insuficiente. Su efecto memoria es bajo. 1.5.2.3. Baterías de iones de Litio (Li-ion). Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite
llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas y sufren mucho cuando estas suceden; por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva, como la descarga completa. Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura. Sus densidad de energía es la mayor 115 Wh/kg. Su efecto memoria es muy bajo. Por lo tanto este tipo de baterías fueron las escogidas aunque dentro de las baterías de litio encontramos baterías de iones de litio a base de materiales catódicos diferentes: estos son óxido de cobalto, óxido de manganeso y fosfato de hierro. A continuación se muestra una tabla con las características de cada una.
Batería. LiFePO4 LiCoO2 LiMn2O4 Seguridad. Segura. Inestable. Aceptable. Contaminación medioambiental.
La más ecológica.
Muy contaminante.
-
Durabilidad. Excelente. Aceptable. Aceptable. Relación peso-capacidad.
Aceptable. Buena. Aceptable.
Coste Excelente. Alto. Aceptable. Temperatura trabajo.
Excelente (-20 a 70ºC)
Decae fuera del rango (-20 a 55ºC)
Decae rápidamente a más de 50ºC
Las elegidas son las LiFePO4 que son las que mejor se adaptan a las condiciones con las que va a encontrarse el buggy. A continuación se muestra una fotografía de la batería elegida.
Figura 48. Batería Es un paquete de 4 baterías de litio (LiFePO) recargables. Cada batería de estas presenta las siguientes características: Características baterías. Tensión nominal: 4 x 3,2V = 12,8 V Capacidad nominal: 200 A Rango voltaje funcionamiento: 11,2 – 14,4 V Peso 24,9 kg Dimensiones 500x259x142 mm Temperatura de funcionamiento -20 a 65 ºC Ciclo de vida > 2000 (80% DOD) 1.5.2.4. Cargador.
Para la recarga de las baterías, se ha elegido el cargador PFC 5000.
Figura 49. Cargador. Se ha elegido este cargador principalmente porque puede satisfacer un rango muy amplio de necesidades, posee una eficiencia por encima del 93% cuando los cargadores habituales suelen estar sobre el 80%, es impermeable, resistente a vibraciones (lo cual para el traslado de los componentes de competición es importante) y es capaz de cargar varios tipos de baterías. Características técnicas cargador. Rango de voltaje de entrada AC. 85 – 265 V Frecuencia de entrada AC. 45 – 65 Hz Factor de potencia de AC. ≥ 0.98 Eficiencia a plena carga. ≥ 93 Nivel resistencia vibración y golpes. Conforme a SAEJ1378 Temperatura funcionamiento. -40 a 55ºC Temperatura almacenamiento. -40 a 100 ºC Dimensiones. 365 x 352 x 139 mm Peso neto. 13.8 kg Indicador led cargador. Rojo-Verde (intervalo 1 segundo) Batería desconectada. Rojo (intervalo 3 segundos) Reparar batería. Rojo (intervalo 1 segundo) < 80% carga.
Amarillo (intervalo 1 segundo) > 80% carga. Verde (intervalo 1 segundo) 100% carga. 1.5.2.4.1. Funciones de protección del cargador.
1. Autoprotección térmica: cuando la temperatura interna del cargador excede de los 75ºC, la corriente de carga se reducirá de forma automática. Si la temperatura excede de los 85ºC, el cargador de apagará. Cuando la temperatura interna baje, se reanudará la carga automáticamente.
2. Protección contra cortocircuito: cuando el cargador se encuentra con un
cortocircuito en la salida la carga se detendrá automáticamente. Cuando el cortocircuito se elimine la carga se reanudará en 10 segudos.
3. Protección contra conexión invertida: cuando la batería se conecte con la polaridad invertida, el cargador desconectará el circuito interno y detendrá la carga automáticamente.
4. Protección contra entrada de baja tensión: cuando el voltaje de entrada es inferior a 85 V, el cargador se apagará automáticamente y reanudará la carga cuando la tensión sea normal.
1.5.2.4.2. Instalación e instrucciones de seguridad.
1. Preferiblemente, el cargador se debe instalar en posición vertical con las aletas del radiador verticales. Se debe dejar un espacio de 10 cm sobre el suelo para garantizar el flujo de aire. Nunca colocar en posición vertical con las aletas hacia abajo.
2. Asegúrese de que todas las partes de disipación de calor no estén obstruidas para
evitar el sobrecalentamiento. No coloque el cargador cerca de fuentes de calor. Asegúrese de que el espacio libre alrededor del cargador es suficiente para proporcionar una ventilación adecuada.
3. Por razones de seguridad y compatibilidad electromagnética , el cargador tiene un enchufe de 3 patas que se aplican a la toma de corriente con toma de tierra.
4. . Para evitar dañar el cable de alimentación, no ponen nada sobre él ni lo coloque en el que se pueda pisar. Si el cable se daña o se desgasta, cámbielo inmediatamente.
1.5.3. FAROS.
Los faros que se montaran en el coche son unos faros de led de 55W. El modelo es el NS-3717 de 220 mm de diámetro.
Se montaran dos faros de este tipo, consumiendo un total de 110W, y serán alimentados por las baterías que proporcionan la energía al vehículo.
Figura 50. Faro.
Figura 51. Características faros. La energía consumida por los faros se calcula de la siguiente manera.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 55𝑤 ∗ 2 ∗ 3,33ℎ = 0,366𝑘𝑤ℎ
1.5.4. VELOCÍMETRO.
Me pareció una idea interesante a la vez que necesaria llevar un indicador de datos de navegación. Se encontró este aparato “Alltrax EX-RAY volt “que es un velocímetro multifunción.
Figura 52. Velocímetro. Con las siguientes características: - Velocidad actual. -Velocidad máxima. -Velocidad media. -Voltaje baterías. -Distancia recorrida. -Hora. -Temperatura ambiente. -Temperatura motor. Quedando instalado de la siguiente manera:
Figura 53. Velocímetro en volante.
1.5.5 DISPOSICIÓN. Las baterías y el motor, irán situados en el vehículo de la siguiente manera…
Figura 54. Disposición baterías y motor en chasis. En la parte trasera como se puede observar irán situados el motor y encima 8 baterías. Si bien esta no es la mejor disposición para las baterías ya que eleva el centro de gravedad del vehículo, es la única opción sin modificar el chasis del vehículo. Además a pesar de afectar al centro de gravedad, el sitio es una buena opción puesto que las lleva bien aisladas de golpes y suciedad. Las otras dos baterías restantes irán situadas en los antiguos compartimentos de los depósitos. Ahí irán bien protegidas además de ayudar a bajar el centro de gravedad. Se observa la disposición en la siguiente imagen.
Figura 55. Disposición baterías.
Figura 56. Vista lateral buggy. Las baterías se conectarán en serie, ofreciendo una tensión de 128V (12,8V * 10 unidades). La intensidad será de 200A, lo que ofrece cada batería.
1.6. ANEXOS.
1.6.1. ANEXO I. – EXTENSOR AUTONOMÍA. Uno de los principales puntos negros de los vehículos eléctricos hoy en día es su escasa autonomía frente al elevado coste y peso de sus baterías, por tanto se nos ocurre la posibilidad de instalar un extensor de autonomía con la idea de crear un buggy híbrido. Un extensor de autonomía no es más que un motor de combustión interna que genera corriente eléctrica para cargar las baterías. Se ha elegido el extensor de autonomía Mahle. El extensor se muestra en la siguiente imagen.
Figura 57. Extensor autonomía Mahle. Características extensor Mahle. 4 tiempos, 900 cc. 2 cilindros en línea. Relación de compresión 9,8:1 Dimensiones 481 x 416 x 327 mm. Consumo 240 g/kwh Peso 70 kg. Como se puede observar tiene un bajísimo consumo y eleva la autonomía hasta los 760 km con 40 litros de gasolina.
Figura 58. Autonomía mahle. El extensor trabaja de dos formas:
• Si la batería requiere su recarga y el consumo no es muy elevado, el extensor funciona al 50% de su capacidad, produciendo 15kW y recargando la batería. Únicamente genera para recargar la batería, no para alimentar al vehículo.
• Si la carga de la batería es muy baja, el sistema trabaja al 100% produciendo esos 30kW para recargar la batería. Recarga la batería y alimenta al vehículo a la vez.
Figura 59. Medidas extensor autonomía.
2. CÁLCULOS.
2. CÁLCULOS.
El objeto de este proyecto, era básicamente el cálculo de la energía necesaria para realizar las etapas. Como se comentó anteriormente de escogió la etapa más desfavorable y se procedió a calcular la energía necesaria para poder completarla.
2.1. GENERALES.
2.1.1. ÁREA. Uno de los datos que se necesitaban para el posterior cálculo de uno de los factores que consumía energía, la potencia aerodinámica, era el área frontal del vehículo, es decir, el área que se oponía al avance del buggy. Con el software “Solid Edge” se creó el vehículo, y el programa, mediante una de sus funciones calcula y suma las diferentes áreas que se elijan.
Figura 60. Frontal buggy.
Se calculó el área interna de todo el perímetro exterior del vehículo, aunque tiene algunos huecos por los que realmente pasa el aire, esto se supuso así porque da un margen de seguridad para los cálculos energéticos, ya que es más desfavorable.
2.1.2. RESISTENCIA AERODINÁMICA. Se denomina resistencia aerodinámica a la fuerza que sufre un cuerpo al moverse a través del aire, y en particular a la componente de esa fuerza en la dirección de la velocidad relativa del cuerpo respecto del medio. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de dicha velocidad, por lo que habitualmente se dice de ella que, de forma análoga a la de fricción, es la fuerza que se opone al avance de un cuerpo a través del aire. Al igual que con otras fuerzas aerodinámicas, se utilizan coeficientes aerodinámicos que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para el desplazamiento a través del aire. Su coeficiente asociado es conocido popularmente como coeficiente de penetración (Cx) Este coeficiente se calcula mediante el túnel de viento, por lo que dada su complejidad este coeficiente se ha estipulado y se le ha puesto el de los turismos normales, Cx = 0,3.
2.1.3. COEFICIENTE RODADURA.
La resistencia a la rodadura se presenta cuando un cuerpo rueda sobre una superficie, deformándose uno de ellos o ambos. No tiene sentido alguno hablar de resistencia a la rodadura en el caso de un sólido rígido (indeformable) que rueda sobre una superficie rígida (indeformable).
El concepto de coeficiente de rodadura es similar al de coeficiente de rozamiento, con la diferencia de que este último hace alusión a dos superficies que deslizan o resbalan una sobre otra, mientras que en el coeficiente de rodadura no existe tal resbalamiento entre la rueda y la superficie sobre la que rueda, disminuyendo por regla general la resistencia al movimiento.
Por un lado, a escala microscópica una rueda no presenta un alzado exactamente circular, y la superficie sobre la que rueda no constituye tampoco un perfil plano, puesto que en ambos casos existen irregularidades. No obstante, este no es el principal factor que influye en el coeficiente, sino la histéresis. La rueda, en función del material con el que esté construida y su propio peso, además del de la carga que soporta, sufre una deformación que al rotar provoca repetidos ciclos de deformación y recuperación, estos ciclos propician la disipación de energía por calor.
El fin del coeficiente de rodadura es establecer un parámetro empírico, sobre el conjunto completo, que proporcione la fuerza que se ha de ejercer bien para poner en movimiento el sistema (coeficiente de rodadura estático), o bien para mantener su velocidad (coeficiente de rodadura dinámico).
A continuación se muestra una tabla con varios coeficientes de rodadura.
COEFICIENTES RODADURA
Fr Superficies de contacto.
0.01 – 0.015 Neumáticos sobre hormigón.
0.02 – 0.03 Neumáticos sobre asfalto.
0.045 – 0.06 Neumáticos sobre barro o arena.
2.2. TRAMOS VELOCIDAD CONSTANTE. Las filas blancas corresponden a los tramos de aceleración del vehículo. Las amarillas a los tramos de velocidad constante. Como se puede observar en esta fracción del Excel se han calculado los tramos de velocidad constante (filas amarillas) que se explicarán a continuación.
Figura 61. Cálculo energético a velocidad constante.
2.2.1. TIEMPO. El tiempo que tarda en recorrer cada tramo se ha calculado de la siguiente manera.
𝑇 =𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑘𝑚)𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 (𝑘𝑚 ℎ⁄ )
2.2.2. ÁNGULO θ. El ángulo θ de cada tramo ya fue hallado en el apartado de etapa.
2.2.3. POTENCIA AERODINÁMICA.
Esta es la potencia que el vehículo gasta simplemente por circular a una velocidad constante a través de un fluido como el aire. Se ha calculado a partir de la resistencia aerodinámica al avance.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖á𝑚𝑖𝑐𝑎 = 12
∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑥 ∗ 𝐴𝑥 ∗ 𝑉2 Donde: - ρ = densidad del fluido, en este caso del aire; ρ = 1,3 kg / m3.
- Cx = es el coeficiente de penetración del vehículo. Indica las características aerodinámicas del vehículo. Cuanto más bajo es el Cx mas aerodinámico es el vehículo. Los Cx de los turismos convencionales están alrededor de 0.3 y 0.4. Se ha estimado un Cx = 0.3. - Ax = es área frontal del vehículo. Ax = 1,65 m2. - V2 = la velocidad en ese tramo al cuadrado.
Una vez calculada la resistencia aerodinámica de cada tramo la multiplicamos por la velocidad media de cada tramo para así obtener la potencia aerodinámica.
𝑃𝑜𝑡.𝐴𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜 ∗ 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜
2.2.4. POTENCIA RODADURA. Es la potencia que el vehículo gasta por el rozamiento con el terreno. Se ha calculado a partir de la resistencia a la rodadura, la cual es causada fundamentalmente por la histéresis de los materiales del neumático debida a las deformaciones de la carcasa durante la rodadura, aunque también contribuyen la fricción entre el neumático y el suelo por deslizamiento, la fricción debida a la circulación de aire en el interior del neumático y las pérdidas por ventilación causadas por la rotación del neumático en el ambiente.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝐹𝑟
Donde: - M = masa del vehículo. M = 684.2 kg - G = aceleración de la gravedad. G = 9,81 m/s2. - Cosθ = coseno del ángulo de cada tramo en radianes. - Fr = coeficiente de rodadura. En nuestro caso es de neumático sobre arena, lo cual nos da un Fr = 0,05. Una vez hallada la resistencia a la rodadura, la multiplicamos por la velocidad media del tramo y así hallamos la potencia perdida por rodadura.
𝑃𝑜𝑡.𝑅𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 ∗ 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜
2.2.5. POTENCIA PENDIENTE. Es la potencia perdida o ganada debido a la acción de la gravedad en las pendientes positivas o negativas. Se calcula a través de la resistencia gravitatoría.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝜃 Donde: - M = masa vehículo. - G = aceleración de la gravedad. - Senθ = seno del ángulo de cada tramo en radianes. Una vez obtenida la resistencia gravitatoria, multiplicamos por la velocidad media de cada tramo para calcular la potencia gravitatoria.
𝑃𝑜𝑡.𝐺𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 ∗ 𝑉𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜
2.2.6. POTENCIA TOTAL VELOCIDAD CONSTANTE. La potencia total de cada tramo se ha calculado mediante la suma de las tres potencias de cada tramo descritas anteriormente.
𝑃𝑜𝑡.𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑉𝑐𝑡𝑒 = 𝑃𝑜𝑡. 𝑎𝑒𝑟𝑜 + 𝑃𝑜𝑡.𝑅𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 + 𝑃𝑜𝑡 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
2.2.7. ENERGÍA VELOCIDAD CONSTANTE. Es la energía demandada por el buggy para recorrer los tramos de velocidad constante. Se calcula de la siguiente manera.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑉𝑐𝑡𝑒 = 𝑃𝑜𝑡.𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 ∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 Sumando así las energías de cada tramo, obtenemos la energía total de los tramos de velocidad constante.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑉𝑐𝑡𝑒 = �𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑉𝑐𝑡𝑒 = 24.37 𝑘𝑤ℎ17
0
2.3. TRAMOS ACELERACIÓN. Los tramos de aceleración como se ha dicho anteriormente corresponden a las filas de color blanco. A continuación se muestran los cálculos de los tramos de aceleración.
Figura 62. Cálculo energético aceleración. En los tramos de aceleración, a parte de la potencia perdida en la aceleración (potencia que no existía en los tramos de velocidad constante) influyen de igual manera las potencias aerodinámicas, de rodadura y pendiente. El único impedimento a la hora de calcularlas es que no son tramos de velocidad constante, por tanto la velocidad es cambiante, velocidad ascendente en tramos de pendiente negativa y velocidad descendiente en tramos de pendiente positiva. A continuación se muestra como se han llevado a cabo los cálculos de las potencias perdidas en los tramos de aceleración.
2.3.1. POTENCIA DE ACELERACIÓN. Es la potencia que gasta el vehículo por el simple hecho de acelerar.
𝑃𝑜𝑡.𝑎𝑐𝑒 = 𝐹𝑎𝑐𝑒 ∗ 𝑉𝑚𝑒𝑑 Donde:
- Face = fuerza aceleración.
𝐹𝑎𝑐𝑒 = 𝑚 ∗ 𝑎 Donde:
- M = masa vehículo. - A = aceleración vehículo.
𝐴 =𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
- Vmed = velocidad media.
𝑉𝑚𝑒𝑑.𝑎𝑐𝑒 = 23
(𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) + 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
2.3.2. POTENCIA AERODINÁMICA. Se calcula igual que en los tramos de velocidad constante, mediante la resistencia aerodinámica.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑑𝑖á𝑚𝑖𝑐𝑎 = 12
∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑥 ∗ 𝐴𝑥 ∗ 𝑉2 Solo que aquí, la V2 es la Vmedace descrita anteriormente. Para calcular la potencia aerodinámica se deberá multiplicar otra vez por la Vmedace
2.3.3. POTENCIA RODADURA. Se calcula de manera similar a los tramos de velocidad constante, mediante la resistencia de rodadura.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝐹𝑟
Una vez hallada la resistencia de rodadura se multiplica por la Vmedace y así obtenemos la potencia de rodadura.
2.3.4. POTENCIA PENDIENTE. Se halla de manera similar a los tramos de velocidad constante, mediante la resistencia gravitatoria.
𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝐶𝑜𝑠𝜃 ∗ 𝐹𝑟 Una vez obtenida la resistencia a la rodadura se multiplica nuevamente por la Vmedace para obtener la potencia pendiente.
2.3.5. POTENCIA TOTAL ACELERACIÓN. La potencia total de aceleración, será la suma de las cuatro potencias de aceleración de cada tramo.
𝑃𝑜𝑡.𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑐𝑒 = 𝑃𝑜𝑡.𝑎𝑐𝑒 + 𝑃𝑜𝑡.𝑎𝑒𝑟𝑜 + 𝑃𝑜𝑡.𝑅𝑜𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 + 𝑃𝑜𝑡 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
2.3.6. ENERGÍA TOTAL DE ACELERACIÓN. Es la energía demandada por el buggy para recorrer los tramos de aceleración. Se calcula de la siguiente manera.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐴𝑐𝑒 = 𝑃𝑜𝑡.𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 ∗ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑚𝑜 Sumando así las energías de cada tramo, obtenemos la energía total de los tramos de aceleración.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴𝑐𝑒 = �𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐴𝑐𝑒17
0
= 0.67 𝑘𝑤ℎ
2.4. ENERGÍA TOTAL ETAPA. La energía total demandada para la realización de la etapa es la suma de la energía total de los tramos de velocidad constante más la de los tramos de aceleración más la energía que gastan los faros.
𝐸.𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑣 = �𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑉𝑐𝑡𝑒 + �𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐴𝑐𝑒 = 24,37 + 0.67 = 25.05 𝑘𝑤ℎ 17
0
17
0
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑡𝑎𝑝𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑓𝑎𝑟𝑜𝑠
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑡𝑎𝑝𝑎 = 25,05 𝑘𝑤ℎ + 0,367 𝑘𝑤ℎ = 25,417 Esto quiere decir que necesitamos que nuestras baterías nos proporcionen la cantidad de 25,417 kwh o de lo contrario, no podremos finalizar la etapa. Entonces necesitamos de nuestro modelo de baterías 10 unidades. Energía 1 batería = 2560 kwh Energía 10 baterías = 25600 kwh. Como se puede observar se dispone de energía necesaria para completar la etapa.
2.5. DESARROLLO. Puesto que los espacios de los vehículos son limitados, todo este proceso comenzó suponiendo un peso de 500 kg para el buggy y un área de 2 m2, para hacerse una idea de la energía que se podía consumir en realizar la etapa.
Figura 63. Simulación 1.
Figura 64. Simulación 2.
Como se puede observar el vehículo consumiría unos 22 kwh, a partir de ahí se fue “jugando” con varios modelos de vehículos (hasta alcanzar el definitivo) y varios tipos y número de baterías diferentes.
La velocidad también jugó un papel fundamental, así pues se empezó suponiendo una velocidad media de 80 km/h y no de 60 km/h como es definitivamente.
3. PLIEGO DE CONDICIONES.
3. PLIEGO DE CONDICIONES.
3.1. MATERIALES. En los siguientes apartados se detallan las características de los materiales elegidos para fabricar el buggy, así como los motivos por los cuales han sido elegidos, las características mecánicas. 3.1.1. ESTRUCTURA TUBULAR.
Primeramente cabe destacar el porqué de la elección de un perfil tubular (CHS) y no un perfil circular macizo o cuadrado (RHS), dichas razones se especifican a continuación: - Un perfil perforado aguanta mejor a flexión que no uno macizo del mismo peso. - La sección circular ofrece una distribución de masas más efectiva alrededor del eje central que no un perfil RHS. - Resiste mejor a flexiones multiaxiales. - Mejor aspecto y aerodinámica. Como nota negativa cabe destacar: - El perfil circular tubular requiere de un perfilado especial a la hora de unir los tubos - La creación de una estructura con diferente tipo de perfiles hace aumentar notablemente el presupuesto. A continuación se muestran una imagen donde se reflejan los dos tipos de perfiles que se podrían utilizar para la construcción de la estructura tubular, aunque nos hemos decidido por el CHS por las razones nombradas anteriormente.
Figura 65.Perfiles tubulares. A continuación se detalla el tipo de material elegido para construir únicamente la estructura tubular del buggy, así como los soportes de las suspensiones y los trapecios, la caja de
transmisión y las protecciones laterales, ya que todas éstas formarán parte del conjunto soldado. 3.1.1.1. TIPO DE MATERIAL. El material seleccionado para la elaboración de la estructura tubular del vehículo todoterreno es el llamado AISI 4130 (denominación según la normativa americana donde es más conocido). En la tabla que se muestra a continuación se muestran más denominaciones del mismo material dependiendo de otras normativas.
Figura 66. Designación material elegido. El AISI 4130 es un acero de baja aleación de cromo – molibdeno que presenta una gran tenacidad, una muy buena penetración al temple y una gran soldabilidad debido al 0.30% de contenido en carbono que hace posible la soldadura mediante los métodos más comunes de soldadura. Este material es muy utilizado en el sector de la automoción, para discos de turbinas a vapor, cigüeñales, rotores, ejes, árboles y tornillos de resistencia, entre otros. También se utiliza para juntas de herramientas, abrazaderas y fabricación de herramientas manuales. Este material se emplea normalmente tratado. Las formas y acabados más habituales en las que nos podemos encontrar dicho material es: - Barra redonda, cuadrada o hexagonal. - Barra hueca. - Placa laminada en caliente. - Discos. Se ha optado por este material ya que presenta unas magníficas prestaciones mecánicas, lo que facilita la complejidad de la estructura tubular del buggy. Como nota negativa cabe destacar que dicho material es más caro que otro tipo de acero aunque la diferencia tampoco es muy significante dado el numero de barras de las que dispone el vehículo. Además, hemos podido descubrir que este tipo de material es el más utilizado para vehículos del tipo Kart Cross, cuya geometría (referente únicamente a la estructura tubular) tampoco difiere demasiado de nuestro diseño. El objetivo principal que pretendemos conseguir es que la estructura tubular del vehículo todoterreno sea resistente y nos ofrezca garantías de seguridad, para ello hemos consultado las normativas de seguridad de la RFEDA para campeonatos de buggies y ésta no especifica ningún material en concreto para la fabricación del chasis. En la normativa FIA referente a la estructura de seguridad para vehículos todoterreno (normativa que más se
asemeja a los objetivos que pretendemos conseguir) hemos podido observar que la única restricción para tubos de acero es que estos no superen 0.30% de contenido en carbono y tengan una resistencia mínima a la tracción de 350 MPa y por lo tanto éste material estaría aceptado. En la siguiente tabla enumerativa se muestran las dimensiones de los tubos utilizados para la fabricación de la estructura tubular.
Figura 67. Dimensiones de los tubos de la estructura principal. 3.1.1.2. CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS. En la siguiente tabla se muestran las principales propiedades físicas que caracterizan a una aleación de cromo – molibdeno, como la resistencia a la tracción, el límite elástico, la elongación y la dureza.
Figura 68. Características mecánicas AISI 4130. Las principales características que caben destacar del AISI 4130 frente a otros aceros son las siguientes:
- Se trata de un material bastante dúctil (hecho que queda reflejado en el porcentaje de elongación que tiene). - Contiene una gran maleabilidad (es muy usado en la elaboración de barras huecas y planchas). - Tiene una soldabilidad muy buena dado el alto contenido en carbono. El dato de la ductilidad del material es muy importante, ya que en una estructura formada por perfiles tubulares y sometida a cargas estáticas será muy probable que existan barras y soldaduras críticas y estas tienen que garantizar la suficiente capacidad de rotación. El hecho de que se trate de un material maleable nos evitará posibles fisuras en forma de desgarro laminar en los perfiles tubulares, esta propiedad ayudará a que el espesor de los tubos utilizados para la construcción de la estructura tubular pueda ser menor. La gran soldabilidad con la que cuenta el material facilitará el trabajo de soldadura de la estructura del buggy.
3.1.2. CHAPA DE PROTECCIÓN Y SOPORTES DE FIJACIÓN. En este apartado, nos referimos a las chapas que formarán parte de la estructura como elementos para afianzar la resistencia en los puntos donde la soldadura puede resultar crítica y a las fijaciones creadas para la adaptación de la caja de transmisión, trapecios, pedales, motor u otros elementos necesarios para el correcto funcionamiento del vehículo. 3.1.2.1. TIPO DE MATERIALES. El material elegido para la fabricación de la caja de transmisión así como todos los soportes de elementos del buggy será el mismo que el de la estructura tubular del vehículo, la aleación de cromo-molibdeno AISI 4130. Se ha optado por este material para hacer que la estructura del vehículo sea lo más homogénea posible. A continuación se muestra una tabla enumerativa de las chapas utilizas para la fabricación de la caja de transmisión, chapas de protección y soportes de manera desglosada.
Figura 69. Dimensiones chapas utilizadas. 3.1.3. ELEMENTOS DE CARENADO. En este apartado se detallarán las características de los elementos que formarán parte de carenado del buggy, aunque primeramente se razonan los motivos de la utilización de éstos. En la siguiente tabla se muestran los elementos de carenado acompañados del motivo por la cual se ha optado a fabricarlo:
Figura 70. Elementos de carenado. 3.1.3.1. TIPO DE MATERIALES. A continuación se muestra una tabla enumerativa donde se especifican los materiales de cada elemento de carenado.
Figura 71. Material de los elementos de carenado. Para el suelo del vehículo y el elemento de carenado frontal se ha optado por una chapa de aluminio de tipo corrugada de 2mm, se ha optado por ésta por razones de ahorro de peso y adherencia a los pies del piloto. En el caso de los laterales, se puede utilizar chapa de aleación de aluminio de 6mm para proteger correctamente las baterías. Por último, en el caso de la cabina motor, el material elegido será la fibra de vidrio, ya que al tratarse de una geometría complicada se requiere de un material moldeable para que la fabricación de ésta pueda ser manual. 3.1.4. ELEMENTOS DE SEGURIDAD. Para separar la cabina de pilotaje de la zona trasera donde se encuentran los componentes mecánicos más importantes que definen las características técnicas del buggy se ha pensado en instalar una chapa de aluminio anodizado, para así aislar la cabina de pilotaje en caso de incendio. Las características de esta chapa de detallan en la siguiente tabla.
Figura 72. Chapa de seguridad. 3.2. MÉTODO DE FABRICACIÓN.
En los siguientes apartados se especifica el método de fabricación que se utilizará para construir el vehículo todoterreno. El proceso estará basado en cuatro fases: - Corte de tubos y chapas. - Curvado de barras. - Soldadura. - Tratamiento superficial de la estructura tubular. Los costes del proceso de fabricación de la estructura tubular tienen una parte importante del coste total del vehículo, por este motivo se tienen que planificar y llevar a cabo con mucho cuidado. Una manera de abaratar costes es reduciendo material, por lo que se puede optar por comprar tubos de dimensiones extra largas y del mismo diámetro y espesor, de esta manera también se reducen el número de uniones soldadas. El trabajo en el taller para la producción de una estructura tubular tiene que seguir un proceso unidireccional. Una vez tenemos los materiales necesarios apilados en el taller para la construcción de la estructura seguimos los siguientes pasos: 1. Marcado de tubos. 2. Corte por soplete o serrado de las barras. 3. Curvado de barras. 4. Preparación de los cantos para la soldadura. 5. Soldadura de tubos. 6. Corte de chapas y preparación para los soportes. 7. Soldadura de soportes. 8. Tratamiento superficial de la estructura tubular. En el caso de las barras soldadas entre sí, el corte de los extremos tiene que incluir la preparación de las barras para la unión. Para obtener el corte necesario es fundamental la medida continua de las longitudes totales, para procurar una compensación automática de las tolerancias. Las uniones entre tubos de sección circular precisan de curvas multiplanares a las intersecciones, que evidentemente repercuten en el coste de fabricación. Estas curvas se pueden simplificar chafando los extremos de los tubos a soldar, aunque este método no es recomendable para la construcción de una estructura tubular debido a la gran concentración de tensiones que se acumulan en los extremos de las barras por la disminución de sección, con el consiguiente peligro de rotura por fatiga.
3.2.1. SERRADO DE TUBOS. Después de marcar las longitudes correspondientes se procede a la preparación de los extremos de las barras para las uniones. El método más utilizado es el corte por soplete (oxicorte) y el corte por serrado, dado que se trata de una estructura tubular compleja es preferible el corte por serrado, ya que el coste es más bajo y ofrece una mejor sencillez de ejecución.
La herramienta más habitual para el corte por sierra es la sierra circular de mesa, aunque dependiendo de las necesidades de calidad y precisión requerida por cada tipo de corte se puede optar por otro tipo de máquinas, como por ejemplo: - Muela rectificadora: Corte rápido, impreciso y con rebabas considerables. - Disco dentado de acero: Proceso rápido e impreciso (adecuado para secciones y grosores importantes). - Fresadora: Velocidad de corte baja, precisión de corte excelente y ausencia total de rebabas. También existen otras técnicas muy precisas, como por ejemplo el corte por plasma, aunque su proceso no es rentable para este tipo de estructuras. Para unir los tubos posteriormente mediante soldadura se necesita preparar las uniones para ello, a continuación se muestran las uniones de tubos más habituales para la soldadura. Como la penetración de la soldadura será debido al espesor del tubo, el grosor del cordón es igual al del tubo, por otra banda la amplitud máxima del cordón será del doble que el espesor del tubo.
Figura 73. Uniones de tubos para la soldadura. En la fabricación de la estructura tubular se da el caso de uniones de dos tubos que se encuentran situados a 180º, para este caso, el modelo de unión utilizado será del tipo X, ya que es el que más se corresponde a las medidas de tubos que debemos soldar, con este tipo de borde conseguiremos la penetración necesaria.
Por otra parte, se encuentran las uniones de tubos inclinados, pero éstas no requieren de un chaflán para conseguir la penetración completa del cordón de soldadura. Debido a que casi todas las uniones que se dan en la fabricación de la estructura tubular son inclinadas, la ausencia de chaflanes representa un ahorro considerable de horas de taller y por lo tanto de costes de fabricación. 3.2.2. CURVADO DE BARRAS. El curvado de barras en frío se puede realizar de varias maneras. Durante la operación pueden aparecer pliegues en la zona interior y disminuir el espesor de la zona alargada, para evitarlo prevalecen los siguientes condicionamientos: - Alta resistencia a la rotura. - Límite elástico bajo. - Alargamiento considerable a la rotura a tracción. Los métodos de curvado de barras más habituales son: - Curvado en frío por presión. - Curvado en frío mediante caja conformadora. - Curvadora de rodillos. De estos métodos el más utilizado es el de la curvadora de rodillos, ya que permite un radio de curvado en función del diámetro muy grande.
Figura 74. Curvadora de tubos. 3.2.3. SOLDADURA. En método de soldeo elegido para la fabricación del vehículo será la soldadura M.I.G., a continuación se detalla dicho método, así como sus ventajas respecto a otros métodos de soldadura, equipos de soldadura utilizados e hilo de consumible que se utilizará en dicho proceso de fabricación del buggy. Cabe destacar que el método utilizado para el soldeo de la estructura tubular del vehículo también podría ser el T.I.G., aunque se ha optado por M.I.G. por las diferentes razones que se irán especificando en los siguientes apartados. 3.2.3.1. Soldadura semiautomática M.I.G. El método de soldeo por el sistema M.I.G., viene a ser como una mejora de la soldadura por el sistema T.I.G. de electrodo de tungsteno no consumible, el cual fue sustituido por el hilo consumible empleado en el sistema M.I.G.; el hilo va siempre o casi siempre conectado al polo positivo y éste se alimenta con una corriente continua. El arco que salta entre el extremo del hilo y la pieza a soldar puede ser protegido por un gas inerte, como argón, helio, etc. (es por esto que el método de soldeo recibirá el nombre de soldadura M.I.G., que significa Metal-Inerte-Gas, por trabajar con un gas inerte) o por un gas activo como lo es el anhídrido carbónico (CO2), con lo que usando este gas, el método de soldeo recibiría el nombre de M.A.G., que significa Metal-Activo-Gas, por ser éste un gas activo. Con el sistema de soldeo M.I.G. se pueden soldar piezas de más elevado espesor que por el procedimiento T.I.G.; al mismo tiempo, se consigue un gran rendimiento de trabajo, ya que aporta una cantidad de material diez veces superior al depositado con el electrodo, con lo que se pueden efectuar cordones de raíz tan perfectos como con el electrodo manual.
Figura 75. Esquema soldadura M.I.G
Se pueden utilizar máquinas semiautomáticas, con las que se pueden soldar todos los metales que se sueldan con el sistema T.I.G., más todos los aceros en general. En este sistema de soldeo no se usa la corriente alterna, pues su aportación es menor y el arco es más inestable, y, como ya se ha dicho anteriormente, el hilo o pistola debe ir conectado al polo positivo. En casos especiales también se puede conectar la pistola o hilo al polo negativo. Esto se hace cuando se quiere aumentar el coeficiente fusión o que disminuya la penetración del metal depositado, como ocurre en la soldadura de recargues. Así pues, conectando el hilo o pistola al polo positivo (+) obtendremos: - Una gran penetración. - Buena acción limpiadora. - Transferencia del metal de aporte por spray. Mientras que si conectamos el hilo o pistola al polo (-), obtendremos: - Una débil penetración. - Una transferencia de metal aportado globular.
Con el hilo o pistola conectado al polo positivo (+) se obtiene mayor penetración del metal aportado, porque las gotas calientes se desprenden del hilo aportado a gran velocidad, aportando al mismo tiempo mucho calor al metal base. Existen tres tipos de transferencia de metal aportado en la soldadura M.I.G., éstos son: - Transferencia por spray. - Transferencia globular. - Transferencia por cortocircuito. Para conseguir que la transferencia de metal aportado sea por spray debemos observar en el hilo las siguientes características: - Hilo muy afilado a medida que se va consumiendo. - Cono de proyección muy luminoso. - Gotas muy finas en la dirección del hilo. - Desprendimiento del metal de aporte a gran velocidad. - Gran penetración. Las condiciones de trabajo para operar en con este arco del tipo de spray son las siguientes: - Conectar el hilo o pistola al polo positivo. - Se debe utilizar gas argón o mezcla de argón y oxígeno. - Se debe de emplear gran intensidad de corriente. En el caso de la transferencia globular el hilo se va fundiendo dejando en su extremo una gota muy grande, tres veces superior al diámetro del hilo. Al mismo tiempo podemos observar que la gota, al desprenderse, va hacia un lado o hacia el otro, lo que demuestra que hace una transferencia muy deficiente, que hace muy difícil acertar con la junta. Este tipo de transferencia se debe de evitar en todo momento y en cualquier circunstancia. Así pues, las características de una transferencia globular son las siguientes: - Poca penetración. - Muchas proyecciones. - Gota de transferencia muy grande, hasta tres veces el diámetro del hilo. Las condiciones de trabajo para que se produzca este fenómeno pueden ser las siguientes: - Por conectar el hilo o pistola al polo negativo. - Por trabajar con densidades de corriente menores que para spray. En último lugar se encuentra la transferencia por cortocircuito, la forma de transferencia de este sistema es que se va formando una gota en el extremo del hilo, la cual se va alargando y mientras en el metal de base se va rompiendo la capa de óxido, la gota se va alargando más, hasta que en un momento toca el metal de la base y se rompe por el cuello o por su
parte más estrecha, a causa de su alargamiento, y pasa al baño de fusión, y así sucesivamente durante todo el proceso de soldeo. En cuanto la gota toca el metal base se forma un cortocircuito, lo cual hace que la intensidad sufra un aumento grandísimo y como consecuencia las fuerzas axiales rompen el cuello de la gota. Las características de la transferencia por cortocircuito son: - Pocas proyecciones. - Pequeño baño de fusión y muy controlable. - Pequeña penetración. - Buen sistema para la soldadura vertical. Las características de trabajo que se deben emplear para conseguir este método de transferencia son las siguientes: - Conectar el hilo o pistola al polo positivo. - Diámetro del hilo de 1,2 mm o menor. - Gas a utilizar, mezcla del 75% de gas argón y del 25% de CO2. - También se puede utilizar gas CO2 solamente. Con este tipo de transferencia se pueden soldar piezas de reducidos espesores, como es el caso de los tubos utilizados para la construcción de nuestro chasis. En la soldadura por cortocircuito se usa menos tensión y menos intensidad, por lo que esta clase de transferencia se emplea alambre de poco diámetro, que es la ideal para soldaduras verticales y bajo techo. Los parámetros utilizados son los siguientes: - Tensión = 16-23 V - Intensidad = 40-200 A La transferencia por spray se emplea para recargues y todas las soldaduras en posición horizontal, ya que se puede usar un hilo de mayor diámetro. Los parámetros utilizados en esta clase de transferencia son los siguientes: - Tensión = 28-40 V - Intensidad = 200-500 A En la siguiente figura se puede observar perfectamente los dos tipos de soldadura a utilizar representados a partir de la tensión y la intensidad:
Figura 76. Modos de soldadura M.I.G. A continuación se citan algunas de las ventajas más importantes del procedimiento de soldadura M.I.G. respecto a otros métodos de soldadura. - Puesto que no hay escoria y las proyecciones suelen ser escasas, se simplifican las operaciones de limpieza, lo que reduce notablemente el costo total de la operación de soldadura. En algunos casos, la limpieza del cordón resulta más cara que la propia operación de soldeo, por lo que la reducción de tiempo de limpieza supone la sensible disminución de los costos. - Fácil especialización de la mano de obra. En general, un soldador especializado en otros procedimientos, puede adquirir fácilmente la técnica de soldadura M.I.G. en cuestión de horas. En resumidas cuentas, todo lo que tiene que hacer el soldador se reduce a vigilar la posición de la pistola, mantener la velocidad de avance adecuada y comprobar la alimentación de alambre se verifica correctamente. - Gran velocidad de soldadura, especialmente si se compara con el soldeo por arco con electrodos revestidos. Puesto que la aportación se realiza mediante un hilo continuo, no es necesario interrumpir la soldadura para cambiar el electrodo. Esto no solo supone una mejora en la productividad, sino que también disminuye el riesgo de defectos. Hay que tener en cuentas las interrupciones, y los correspondientes empalmes, son con frecuencia, origen de defectos tales como inclusiones de escoria, falta de fusión o fisuras en el cráter. - La gran velocidad del procedimiento M.I.G. también influye favorablemente en el aspecto
metalúrgico de la soldadura. Al aumentar la velocidad de avance, disminuye la amplitud de la zona afectada de calor, hay menos tendencia de aumento de tamaño de grano, se aminoran las transformaciones de estructura en el metal base y se reducen considerablemente las deformaciones. - El desarrollo de la técnica de transporte por arco corto permite la soldadura de espesores finos, casi con tanta facilidad como por el procedimiento T.I.G. - Las buenas características de penetración de procedimiento M.I.G. permiten la preparación con bordes más cerrados, con el consiguiente ahorro de material de aportación, tiempo de soldadura y deformación. En las uniones mediante cordones en ángulo también permite reducir el espesor del cordón en relación con otros procedimientos de soldeo. A continuación se describirán las pistolas y equipos utilizados en la soldadura M.I.G. Las pistolas: Deben de ser lo más manejables posibles, para que no causen molestias al operario soldador que las va a utilizar; en el mercado existen infinidad de marcas de esta clase de pistolas, así como de variados modelos, los cuales pueden ser refrigerados por agua, cuando la pistola debe ser sometida a un gran amperaje, o puede tener una refrigeración natural, que son las que más imperan en el mercado hoy en día, tanto para bajas intensidades como para altas. Ni que decir tiene el perfecto mantenimiento de limpieza en que han de estar las pistolas para que funcionen perfectamente. Equipo de soldadura: Bien poco se puede decir de los equipos de soldadura, ya que vienen perfectamente diseñados por las casas suministradoras, las cuales se encargan de enseñar el manejo a los operarios soldadores que las van a usar; pero si se puede orientar un poco al soldador respecto a unos defectos que se observan frecuentemente: - No se deben apretar demasiado los rodillos de arrastre de la varilla, pues pueden producir un aplastamiento de ella, con la consecuencia de que avance con dificultad. - También se debe de tener en cuenta que al soldar no se debe doblar demasiado la pistola en su longitud, ya que esto entorpecería bastante la salida de la varilla, ya que se puede doblar fácilmente.
Figura 77. Equipo de soldadura M.I.G. Para poder soldar la estructura tubular mediante soldadura M.I.G. necesitamos de un consumible de tipo alambre, éste debe de tener la misma composición química que el material que tenemos que soldar, el AISI 4130 en nuestro caso. El consumible que utilizaremos será el SG-CrMo1 ya que es el recomendado para soldar una aleación de cromo-molibdeno tal como la que utilizaremos para fabricar la estructura tubular. Este hilo de consumible utiliza un gas de protección de argón y CO2. Las especificaciones técnicas de dicho hilo de consumible se pueden observar en la siguiente tabla.
Figura 78. Hilo de consumible SG-CrMo1 3.2.4. TRATAMIENTO SUPERFICIAL.
Una vez obtenido el chasis final y probado de manera que todas las piezas que forman el vehículo encajen a la perfección, se manda el chasis a lacar en poliéster. Se ha optado por este proceso para dotar a la estructura tubular de una mejor resistencia a la corrosión y un mejor aspecto visual. Este proceso también se aplicará a los trapecios. El proceso de lacado consiste previamente en la limpieza superficial de la estructura tubular mediante un baño ácido o alcalino (más habitual) para desengrasar y un posterior secado al horno. Más tarde se aplica una capa de óxido de cromo para mejorar significativamente la resistencia a la corrosión y dotar de una buena adherencia a la aplicación posterior de la capa de imprimación. Finalmente el chasis es introducido en un horno, llamado de polimerización, a una temperatura entorno a los 200ºC, finalizando así el proceso de lacado. La pintura utilizada será de poliéster en polvo, aplicada al chasis mediante pistolas electrostáticas, ésta puede llevar partículas de aluminio para dotar al chasis de un acabado metalizado. Existen otro tipo de pinturas, a base de resinas de fluoruros de polivinilideno, que garantizan una duración de hasta cinco veces mayor que las pinturas de poliéster en polvo, éstas resultan ser mucho más caras y dada la magnitud del proyecto no requiere de estas pinturas para cumplir el objetivo de resistir a la corrosión natural.
Figura 79. Resultados de una lacado al horno en poliéster.
3.3. NORMATIVA PANÁFRICA.
3.3.1. EL VEHÍCULO. -Autonomía de 200 km para los buggies, quads, etc. - Faro delantero encendido durante todo el recorrido y todas las etapas. Bombilla de como mínimo 35 w. Puede utilizarse el faro de serie o instalar otro adicional. En ambos casos se tiene que dejar un espacio para la colocación del dorsal de un tamaño de 20 cm (anchura) x 16 cm (altura) -Elementos de seguridad obligatorios: barras anti vuelco. -Arnés de cuatro puntos para piloto y copiloto. -Extintor de polvo seco de 2 kg obligatorio. -Dos eslingas largas para poder remolcar el buggy en caso necesario. -Una pala. -Banderita en los buggies y Utv : en dunas se ve rápidamente por donde circulan y sobre todo la banderita avisa a los demás participantes en caso de quedarse atascado en la caída de la duna; se puede hacer con una simple antena de cb 27 y una base atornillada, longitud mínima: 1,80 m
3.3.2. LIMITES VELOCIDAD.
- Todo lo que no es asfalto: 80 km/h
- Por asfalto (carretera, pista asfaltada): 100 km/h, pero en todos los casos prevalecerá las velocidades máximas de los indicadores y respectando siempre el código y normas de circulación marroquí.
- Aglomeración: 40 km/h.
3.3.3. CAJA NEGRA, BALIZA SPOT, GPS.
Siguen siendo obligatorias las balizas se seguridad Spot y las cajas negras, la caja negra será suministrada por la organización pero cada uno deberá acudir con su baliza Spot. En la Panáfrica 2012 la elección del modelo o marca de GPS es totalmente libre. Por motivos de seguridad la organización facilitara a los participantes un track base considerado como el recorrido oficial de la prueba, bien evidentemente no será el camino más corto entre dos puntos de paso obligatorios pero el recomendado (u obligatorio en
ciertos tramos) por la organización.
- Caja negra. Es en realidad un GPS cuya misión consiste en grabar todo el recorrido realizado por el vehículo además de otros datos como velocidad, distancias…. específicamente elaborado para la prueba está pensado para todos tipos de vehículos Offroad. Esta unidad, de tamaño de un paquete de tabaco, es totalmente autónoma y no necesita ninguna conexión, su batería dura más de 10 días, es estanca al polvo y al agua. Es suministrada por la organización.
- Baliza. Seguimiento por satélite SPOT; este año la organización no alquilaran las balizas, cada participante deberá acudir a la prueba con su baliza instalada y totalmente operativa; realizaremos comprobaciones de la correcta configuración durante los meses anteriores a prueba.
Por motivos de seguridad se prohibirá circular de noche durante toda la prueba*, debido a la imposibilidad de proceder a una evacuación sanitaria durante la misma. Gracias al Kit de Supervivencia (comida, bebida, manta térmica, luz...), los participantes llevan lo necesario para pasar una noche en el desierto.
*Únicamente se autoriza la circulación nocturna:
1) Por carreteras o pistas asfaltadas 2) Si le acompaña un vehículo de organización. El horario de interrupción de la etapa será comunicado el primer día de la prueba.
- GPS. La elección de la marca y modelo es totalmente libre (es fundamental que se pueda conectar a un PC para transferencia de datos), instalado en el vehículo y desmontable. Recomendamos tener otro GPS, aunque muy sencillo, en caso de avería o rotura de la unidad principal.
4. PRESUPUESTO.
4. PRESUPUESTO.
Para la consecución de este prepuesto se ha de tener en cuenta que estos precios son para la realización de un único buggy, en caso de llevarse a cabo más unidades, los precios unitarios se supone que bajarían.
Se ha dividido el presupuesto en tres fases:
- Los costes de material. Donde se introducido los precios de los materiales necesarios para la construcción del chasis básicamente.
- Los costes de los componentes. Aquí se han metido los costes de los componentes mecánicos que se han comprado ya hechos.
- Los costes de fabricación. Donde aparecen los costes de mano de obra para la realización del chasis.
COSTES MATERIAL UNIDADES PRECIO UNIDAD PRECIO Tubos AISI 4130 40 x 1,5 30 x 1,5 Ø 20
41 m 13,25 €/m 543,25 € 3 m 7,75 €/m 23,25 € 25,5 m 6,8 €/m 173,4 €
Chapas 6 mm aleación aluminio 4 mm aleación aluminio 5 mm chapa AISI 4130 2 mm corrugada aluminio 2 mm AISI 4130 2 mm aluminio anodizado
1 placa 33 €/placa 33 € 1 placa 33 €/placa 33 € 1 placa 42,5 €/placa 42,5 € 1 placa 47,18 €/placa 47,18 € 1 placa 75 €/placa 75 € 1 placa 22,54 €/placa 22,54 €
SUBTOTAL SIN IVA 993,12 €
COSTES COMPONENTES UNIDADES PRECIO UNIDAD PRECIO Motor 1 2230€ 2230 € Suspensiones - - 920 € Frenos - - 571 € Asiento y arneses - - 525 € Volante 1 146 € 146 € Neumáticos y llantas - - 510 € Caja de dirección 1 415 € 415 € Baterías 10 1138 € 11380€ Cargador 1 1300 € 1300 € Faros 2 116,4 € 232,8 € Velocímetro 1 175 € 175 € Varios - - 200 € SUBTOTAL SIN IVA 18604,8 €
COSTES FABRICACIÓN UNIDADES PRECIO UNIDAD
PRECIO
Corte y preparación de tubos y chapa
20 h 30 €/h 600 €
Corte para los perfiles de unión 20 h 30 €/h 600 € Soldadura uniones 15 h 30 €/h 450 € SUBTOTAL SIN IVA 1650 €
COSTES TOTALES PRECIO COSTE MATERIAL 993,12 € COSTE COMPONENTES 18604,8 € COSTE FABRICACIÓN 1650 € COSTE PRODUCCIÓN TOTAL SIN IVA 21247,92 €
PRESUPUESTO GENERAL PRECIO Coste total de producción 21247,92 € 18% IVA 3824,62 € PRECIO TOTAL BUGGY CON IVA 25072,5 €
